射頻收發(fā)器為航空航天和國防提供突破性的SWaP解決方案

作者：Wyatt Taylor and David Brown

下一代航空航天和國防平臺帶來了新的挑戰(zhàn)，需要的解決方案超出了通過單個設(shè)備優(yōu)化所能實現(xiàn)的解決方案。將更多的軟件控制和認(rèn)知功能集成到無線電中需要頻率和帶寬更靈活的RF設(shè)計。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要移除靜態(tài)濾波器，并用可調(diào)諧濾波器代替。同樣，通用平臺的概念將允許更短的開發(fā)時間，降低制造成本，并提供系統(tǒng)之間的更大互操作性。通用平臺要求RF系統(tǒng)能夠為傳統(tǒng)上具有非常不同架構(gòu)的應(yīng)用提供全部性能。最后，未來的平臺正在將尺寸和功率需求推向一個新的極端。

手持式士兵無線電變得越來越強大和復(fù)雜，但同時需要提高電池效率。小型無人機缺乏大型飛機的發(fā)電能力，射頻系統(tǒng)消耗的每一毫瓦都直接轉(zhuǎn)化為有效載荷電池重量，從而縮短了飛行時間。為了克服這些挑戰(zhàn)并創(chuàng)建下一代航空航天和國防解決方案，需要一種新的無線電架構(gòu)。

超外差架構(gòu)和收益遞減

自成立以來，超外差架構(gòu)一直是航空航天和國防系統(tǒng)無線電設(shè)計的支柱。無論是士兵無線電、無人機（UAV）數(shù)據(jù)鏈路，還是信號情報（SIGINT）接收器，單混頻級或雙混頻級超外差架構(gòu)都是常見的選擇。這種設(shè)計的好處是顯而易見的：適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃可以實現(xiàn)非常低的雜散發(fā)射，通道帶寬和選擇性可以通過中頻（IF）濾波器設(shè)置，兩級之間的增益分布允許在優(yōu)化噪聲系數(shù)和線性度之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖1.基本超外差架構(gòu)。

在100多年的使用中，整個信號鏈中的超外差性能都有顯著提高。微波和射頻器件提高了性能，同時降低了功耗。ADC和DAC提高了采樣速率、線性度和有效位數(shù)（ENOB）。FPGA和DSP的處理能力遵循摩爾定律，并隨著時間的推移而增加，從而實現(xiàn)更高效的算法、數(shù)字校正和進(jìn)一步集成。封裝技術(shù)縮小了器件引腳密度，同時改善了熱處理能力。

然而，這些特定于設(shè)備的改進(jìn)開始達(dá)到收益遞減的地步。雖然RF元件遵循了減小尺寸、重量和功耗（SWaP）的趨勢，但高性能濾波器的物理尺寸仍然很大，并且通常是定制設(shè)計，增加了整體系統(tǒng)成本。此外，IF濾波器設(shè)置平臺的模擬通道帶寬，因此難以創(chuàng)建可在各種系統(tǒng)中重復(fù)使用的通用平臺設(shè)計。對于封裝技術(shù)，大多數(shù)生產(chǎn)線不會低于 0.65 mm 或 0.8 mm 的球間距，這意味著具有許多 I/O 要求的復(fù)雜設(shè)備的物理尺寸是有限的。

零中頻架構(gòu)

近年來重新成為潛在解決方案的超外差架構(gòu)的替代方案是零中頻（ZIF）架構(gòu)。ZIF 接收器利用單頻率混合級，將本振 （LO） 直接設(shè)置為目標(biāo)頻帶，將接收到的信號轉(zhuǎn)換為相位 （I） 和正交 （Q） 信號的基帶。這種架構(gòu)減輕了超外差的嚴(yán)格濾波要求，因為所有模擬濾波都發(fā)生在基帶，與定制RF/IF濾波器相比，基帶的濾波器更容易設(shè)計且成本更低。ADC和DAC現(xiàn)在在基帶上工作I/Q數(shù)據(jù)，因此可以降低相對于轉(zhuǎn)換帶寬的采樣速率，從而節(jié)省大量功耗。對于許多設(shè)計方面，ZIF收發(fā)器由于降低了模擬前端復(fù)雜性和元件數(shù)量，從而顯著降低了SWaP。

圖2.零中頻架構(gòu)。

但是，這種系統(tǒng)架構(gòu)存在需要解決的缺點。這種到基帶的直接頻率轉(zhuǎn)換引入了載波泄漏和鏡像頻率分量。在數(shù)學(xué)上，I 和 Q 信號的虛部由于它們的正交性而被抵消（圖 3）。由于實際因素，如工藝變化和信號鏈中的溫度增量，不可能在I和Q信號之間保持完美的90°相位偏移，從而導(dǎo)致鏡像抑制性能下降。此外，混頻級中不完美的LO隔離會引入載流子泄漏成分。如果不加以校正，圖像和載波泄漏會降低接收器的靈敏度，并產(chǎn)生不希望的發(fā)射光譜發(fā)射。

圖3.零中頻圖像消除。

從歷史上看，I/Q不平衡限制了適合ZIF架構(gòu)的應(yīng)用范圍。這是由于兩個原因：首先，ZIF架構(gòu)的分立實現(xiàn)將在單片器件和印刷電路板（PCB）中出現(xiàn)不匹配。除此之外，單片器件可以從不同的制造批次中提取，由于原生工藝變化，精確匹配非常困難。分立實現(xiàn)還將使處理器與RF組件物理分離，使得正交校正算法很難跨頻率、溫度和帶寬實現(xiàn)。

集成收發(fā)器提供SWaP解決方案

將ZIF架構(gòu)集成到單片收發(fā)器器件中，為下一代系統(tǒng)提供了前進(jìn)的道路。通過將模擬和RF信號鏈放在一塊硅片上，工藝變化將保持在最低限度。此外，DSP模塊可以集成到收發(fā)器中，從而消除了正交校準(zhǔn)算法和信號鏈之間的界限。這種方法既提供了無與倫比的SWaP改進(jìn)，又可以在性能規(guī)格方面與超外差架構(gòu)相匹配。

圖4.AD9361和AD9371原理框圖

ADI公司現(xiàn)在提供兩款收發(fā)器，分別是AD9361和AD9371，以滿足航空航天和國防市場的需求。這些器件將完整的RF、模擬和數(shù)字信號鏈集成到單個CMOS器件上，并包括數(shù)字處理功能，可在所有過程、頻率和溫度變化范圍內(nèi)實時運行正交和載波泄漏校正。AD9361專注于中等性能規(guī)格和超低功耗，如無人機數(shù)據(jù)鏈路、手持式和便攜式通信系統(tǒng)以及小尺寸SIGINT。AD9371針對極高性能規(guī)格和中等功耗進(jìn)行了優(yōu)化。此外，該器件還集成了一個用于精細(xì)校準(zhǔn)控制的 ARM 微處理器，以及一個用于功率放大器 （PA） 線性化的觀察接收器和一個用于空白檢測的嗅探器接收器。這為不同的應(yīng)用套件開辟了新的設(shè)計潛力。使用寬帶波形或占用非連續(xù)頻譜的通信平臺現(xiàn)在可以以更小的外形尺寸實現(xiàn)。高動態(tài)范圍和寬帶寬允許在射頻頻譜高度擁塞的位置運行SIGINT、EW和相控陣?yán)走_(dá)。?

下一代就是現(xiàn)在

100 年的器件優(yōu)化使超外差能夠在不斷更小、更低功耗的平臺上實現(xiàn)越來越高的性能。隨著物理限制的出現(xiàn)，這些改進(jìn)開始放緩。下一代航空航天和國防平臺將需要一種新的射頻設(shè)計方法，將現(xiàn)有平臺的幾平方英寸集成到單個設(shè)備中，軟件和硬件之間的界限模糊，允許優(yōu)化和集成目前不可用，SWaP降低不再意味著性能下降。

AD9361和AD9371的結(jié)合使航空航天和國防設(shè)計人員能夠創(chuàng)建幾年前不可能實現(xiàn)的系統(tǒng)。這些器件有許多相似之處——可調(diào)諧濾波器轉(zhuǎn)折點、寬帶LO生成、分集能力和校準(zhǔn)算法。但是，存在一些關(guān)鍵差異，這些差異促使每個部件針對不同的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。AD9361專注于單載波平臺，其中SWaP是主要驅(qū)動力。AD9371專注于寬帶、不連續(xù)平臺，在這些平臺上，性能規(guī)格更難實現(xiàn)。這兩款收發(fā)器將成為下一代航空航天和國防信號鏈的關(guān)鍵推動因素。

審核編輯：郭婷